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커패시 티브 터치 센싱 구현을위한 회로 및 기법

[브레드보드 전자과학 실험] - 전자사이렌 (십일월 2018).

Anonim

커패시 티브 터치 센싱 구현을위한 회로 및 기법


이 기사는 기본적인 캡 감지 회로 구성을 제시하고 저주파 및 고주파 노이즈를 처리하는 방법을 설명합니다.

지원 정보

  • 전기장 및 전기 용량
  • 커패시턴스에 영향을 미치는 요인들
  • 연산 증폭기 발진기 회로
  • 긍정적 인 피드백

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  • 정전 용량 터치 센서 소개

측정 변경

이전 글을 읽었을 때, 용량 성 터치 센싱의 본질은 물체 (보통 인간의 손가락)가 커패시터에 접근 할 때 발생하는 커패시턴스의 변화라는 것을 알고 있습니다. 손가락의 존재는 1) 상대적으로 높은 유전 상수를 갖는 물질 (즉, 인간의 육체)을 도입하고 2) 기존 커패시터와 병렬로 추가 커패시턴스를 생성하는 전도성 표면을 제공함으로써 커패시턴스를 증가시킨다.

물론, 커패시턴스가 변경된다는 단순한 사실은 특히 유용하지 않습니다. 커패시 티브 터치 센싱을 실제로 수행하려면 손가락의 존재로 인해 커패시턴스의 증가를 일관되게 식별 할만큼 충분한 정확도로 커패시턴스를 측정 할 수있는 회로가 필요합니다. 이를 수행하는 다양한 방법이 있으며, 일부는 매우 직관적이며, 다른 방법은보다 정교합니다. 이 기사에서는 커패시 티브 센스 기능을 구현하기위한 두 가지 일반적인 접근 방법을 살펴볼 것입니다. 첫 번째는 RC (저항 - 커패시터) 시정 수를 기반으로하며 두 번째는 주파수의 시프트를 기반으로합니다.

RC 시간 상수 - 오랜 친구처럼

만약 당신이 나와 같다면, 당신은 충전 또는 방전 커패시터 양단의 전압을 나타내는 지수 곡선을 볼 때 대학 향수의 모호한 감정을 경험하게됩니다. 그것에 대해 뭔가가 있습니다. 아마도 더 높은 수학이 실제로 현실과 관련이 있거나, 포도 수확 로봇의 시대에 방전 커패시터의 단순함을 호소하는 무언가가 있다는 것을 깨달은 것은 처음이었습니다. 어떤 경우에도 저항 또는 커패시턴스가 변경되면이 지수 곡선이 변경된다는 것을 알 수 있습니다. 1MΩ 저항과 10pF의 일반적인 핑거리스 커패시턴스가있는 정전 용량 터치 센서로 구성된 RC 회로가 있다고 가정 해 보겠습니다.

범용 입 / 출력 핀 (출력으로 구성)을 사용하여 센서 캡을 로직 하이 전압까지 충전 할 수 있습니다. 다음으로 커다란 저항을 통해 방전 할 커패시터가 필요합니다. 단순히 출력 상태를 로직 로우로 전환 할 수 없다는 것을 이해하는 것이 중요합니다. 출력으로 구성된 I / O 핀은 로직 로우 신호를 구동 합니다. 즉, 출력에 접지 노드에 대한 낮은 임피던스 연결을 제공합니다. 따라서 커패시터는이 낮은 임피던스를 통해 빠르게 방전되어 마이크로 컨트롤러가 미세한 커패시턴스 변화로 인해 발생하는 미묘한 타이밍 변동을 감지하지 못합니다. 여기에 필요한 것은 임피던스가 높은 핀으로 거의 모든 전류가 저항을 통해 방전되도록하고 핀을 입력으로 구성하여 수행 할 수 있습니다. 먼저 핀을 로직 하이 출력으로 설정 한 다음 방전 단계는 핀을 입력으로 변경하여 시작됩니다. 결과 전압은 다음과 같습니다.

누군가가 센서에 접촉하여 추가 3 pF의 정전 용량을 생성하면 다음과 같이 시간 상수가 증가합니다.

방전 시간은 인간 표준에 따라 크게 다르지 않지만 최신 마이크로 컨트롤러는 이러한 변화를 확실히 감지 할 수 있습니다. 우리가 타이머를 25MHz로 클럭한다고 가정 해 봅시다. 우리는 핀을 입력 모드로 전환 할 때 타이머를 시작합니다. 이 타이머를 사용하여 동일한 핀을 캡쳐 이벤트를 시작하는 트리거로 기능하도록 구성하여 방전 시간을 추적 할 수 있습니다 ( "캡처"는 타이머 값을 별도의 레지스터에 저장하는 것을 의미 함). 포착 이벤트는 방전 전압이 핀의 로직 하한 임계 값 (예 : 0.6V)을 교차 할 때 발생합니다. 다음 플롯에서 볼 수 있듯이 0.6V의 임계 값을 갖는 방전 시간의 차이는 ΔT = 5.2μs입니다.

1 / (25 MHz) = 40 ns의 타이머 클록 - 소스주기에서, 이 ΔT는 130 틱에 상응한다. 커패시턴스의 변화가 10 배 감소하더라도, 손대지 않은 센서와 접촉 한 센서 사이에는 여전히 13 틱의 차이가 있습니다.

그래서 여기서의 아이디어는 방전 시간을 모니터링하면서 커패시터를 반복적으로 충전 및 방전하는 것입니다. 방전 시간이 미리 결정된 임계 값을 초과하면, 마이크로 컨트롤러는 손가락이 접촉 감응 콘덴서와 "접촉"한다고 가정한다 (이전에 언급 한 바와 같이 손가락이 실제로 콘덴서에 닿지 않기 때문에 "접촉"을 인용 부호로 붙인다) 집적 회로는 솔더 마스크와 디바이스의 외함으로 외부 환경으로부터 분리된다. 그러나 실생활은 여기서 제시된 이상적인 논의보다 조금 복잡합니다. 오류 소스는 아래 "실제 처리"섹션에서 설명합니다.

가변 커패시터, 가변 주파수

주파수 - 시프트 기반 구현에서, 용량 성 센서는 RC 오실레이터의 "C"부분으로 사용되어 커패시턴스의 변화는 주파수의 변화를 일으킨다. 출력 신호는 특정 측정주기 내에서 발생하는 상승 에지 또는 하강 에지의 수를 카운트하는 카운터 모듈에 대한 입력으로 사용됩니다. 접근하는 핑거가 센서의 커패시턴스를 증가 시키면, 발진기의 출력 신호의 주파수는 감소하고, 따라서 에지 카운트 또한 감소한다.

이른바 이완 발진기는이 목적을 위해 사용될 수있는 공통 회로입니다. 터치 감지 형 커패시터 외에 몇 개의 레지스터와 비교기가 필요하다. 위에서 언급 한 충전 / 방전 기술보다 더 많은 문제가있는 것처럼 보입니다. 그러나 마이크로 컨트롤러에 통합 된 비교기 모듈이 있다면 그렇게 나쁘지 않습니다. 이 오실레이터 회로에 대한 자세한 내용은 다루지 않을 것입니다. 왜냐하면 1) 여기와 여기를 포함하여 다른 곳에서 논의되기 때문입니다. 2) 많은 마이크로 컨트롤러와 개별 IC가있을 때 오실레이터 접근 방식을 사용하는 것이 바람직하지 않을 수 있습니다. 고성능 정전 용량 터치 감지 기능을 제공합니다. 자신 만의 커패시 티브 터치 감지 회로를 만들 수 밖에 없으면 위에서 설명한 충 / 방전 기법이 더 간단하다고 생각합니다. 그렇지 않은 경우에는 전용 캡 감지 하드웨어가있는 마이크로 컨트롤러를 선택하여 좀 더 간편하게 사용하십시오.

실리콘 랩의 EFM32 마이크로 컨트롤러에있는 커패시 티브 센스 주변 장치는 이완 발진기 접근 방식을 기반으로 한 통합 모듈의 예이다.

멀티플렉서는 발진 주파수가 8 개의 다른 터치 감지 커패시터에 의해 제어되도록한다. 채널을 신속하게 순환시킴으로써 마이크로 컨트롤러의 동작 주파수가 손가락이 움직이는 속도에 비해 매우 높기 때문에 칩은 8 개의 터치 감지 버튼을 동시에 효과적으로 모니터 할 수있다.

현실에 대처하기

커패시 티브 터치 감지 시스템은 고주파 및 저주파 잡음에 시달릴 것입니다.

고주파 노이즈는 측정 된 방전 시간 또는 에지 카운트에서 샘플 간 편차가 작습니다. 예를 들어, 전술 한 핑거리스 충전 / 방전 회로는 방전 시간이 675 틱이고, 그 다음에 685 틱, 이어서 665 틱, 670 틱 등이 될 수있다. 이 소음의 중요성은 방전 시간의 예상되는 손가락 유도 변화에 따라 달라집니다. 커패시턴스가 30 % 증가하면 ΔT는 130 틱이됩니다. 우리의 고주파수 편차가 약 ± 10 틱이면, 신호와 노이즈를 쉽게 구별 할 수 있습니다.

그러나 용량의 30 % 증가는 우리가 합리적으로 기대할 수있는 최대 변화량 근처에있을 것입니다. 3 % 만 변경하면 ΔT는 13 틱이며 노이즈 플로어에 너무 가깝습니다. 노이즈의 영향을 줄이는 한 가지 방법은 신호의 크기를 증가시키는 것입니다. PCB 커패시터와 손가락 사이의 물리적 분리를 줄임으로써이를 수행 할 수 있습니다. 그러나 종종 기계 설계가 다른 요인에 의해 제약을 받기 때문에 신호 강도가 무엇이든간에 최선을 다해야합니다. 이 경우 노이즈 플로어를 낮춰야하는데 평균화를 통해이를 수행 할 수 있습니다. 예를 들어, 각각의 새 방전 시간은 이전 방전 시간이 아니라 마지막 4 또는 8 또는 32 방전 시간의 평균과 비교 될 수 있습니다. 상기 논의 된 주파수 - 시프트 기술은 평균 주파수를 중심으로 한 작은 변화가 발진 기간에 비해 긴 측정주기 내에서 카운트 된 사이클의 수에 큰 영향을 미치지 않기 때문에 자동으로 평균화를 통합한다.

저주파 노이즈는 손가락이없는 센서 커패시턴스의 장기간 변동을 의미합니다. 이는 환경 적 조건에 기인 할 수 있습니다. 이러한 종류의 잡음은 변동이 매우 오랜 기간 지속될 수 있기 때문에 평균화 될 수 없습니다. 따라서 저주파수 잡음을 효과적으로 처리하는 유일한 방법은 적응 가능해야합니다. 손가락의 존재를 확인하는 데 사용되는 임계 값은 고정 값일 수 없습니다. 대신 손가락 접근으로 인해 발생하는 것과 같이 중요한 단기 변동을 나타내지 않는 측정 값을 기반으로 정기적으로 조정해야합니다.

결론

이 기사에서 논의 된 구현 기술은 정전 용량 방식 터치 감지가 복잡한 하드웨어 또는 고도로 정교한 펌웨어를 필요로하지 않음을 보여줍니다. 그럼에도 불구하고 기계적 대안보다 중요한 성능 향상을 제공 할 수있는 다용도의 강력한 기술입니다.